JP6120613B2 - セメント含有粉体組成物および水硬性組成物 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、石英または長石を主成分とし、比重が2.58以上、ショア硬度が90以上、圧縮強度が2000kgf/cm2以上の物理的性質を有する骨材を用い、水結合材比が25%以下で、混和材としてSiO2を90%以上含有するシリカフュームをセメント重量の5〜20%混入し、かつ、高性能AE減水剤を用いて調合するモルタル・コンクリートの製造方法が記載されている。上記シリカフュームは、非晶質の二酸化ケイ素(SiO2)を主成分とし、BET比表面積が15m2/g以上の微粒子である。
また、特許文献2には、(A)ブレーン比表面積2,500〜5,000cm2/gのセメント100重量部と、(B)BET比表面積5〜25m2/gの微粒子10〜40重量部と、(C)ブレーン比表面積3,000〜30,000cm2/gで、かつ上記セメントよりも大きなブレーン比表面積を有する無機粒子20〜55重量部と、(D)粒径2mm以下で、かつ75μm以下の粒子の含有量が2.0重量%以下である骨材とを含む水硬性組成物であって、上記骨材(D)の配合量が、上記セメント(A)と上記微粒子(B)と上記無機粒子(C)の合計量100重量部に対して30〜130重量部である水硬性組成物が記載されている。
そこで、本発明は、減水剤の使用量を少なくしても、流動性及び作業性が低下せず、混練時間を短縮することができ、かつ、100N/mm2以上の超高強度を発現する水硬性組成物(例えば、モルタル、コンクリート)、および、該組成物を製造するためのセメント含有粉体組成物を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[3]を提供するものである。
[1] ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏からなるセメント質材料と、BET比表面積が5〜25m2/gの微粉末を含むセメント含有粉体組成物であって、前記セメント質材料のブレーン比表面積が1500〜2900cm2/gであり、かつ、100μm篩残分量が28.2〜40質量%であることを特徴とするセメント含有粉体組成物。
[2] 上記セメント質材料の粒径100μm以下の粒子の粒度分布は、粒径5μm以下の粒子が4〜35体積%、粒径10μm以下の粒子が15〜55体積%、粒径20μm以下の粒子が30〜80体積%、粒径40μm以下の粒子が55〜100体積%、及び、粒径60μm以下の粒子が75〜100体積%である、前記[1]に記載のセメント含有粉体組成物。
[3] 前記[1]又は[2]に記載のセメント含有粉体組成物と、水と、減水剤を含み、かつ、圧縮強度が100N/mm2以上の水硬性組成物。
以下、詳細に説明する。
[セメント質材料]
本発明で用いられるセメント質材料は、ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏からなる。
上記ポルトランドセメントクリンカーは、特に限定されるものではなく、普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー、中庸熱ポルトランドセメントクリンカー、及び低熱ポルトランドセメントクリンカー等のいずれも使用することができる。中でも、減水剤の使用量の低減、及びモルタル等を製造する際の作業性の観点から、好ましくは、中庸熱ポルトランドセメントクリンカー又は低熱ポルトランドセメントクリンカーである。
また、上記石膏は、特に限定されるものではなく、二水石膏、半水石膏、無水石膏、及びこれらの混合物等を使用することができる。
上記セメント質材料に含まれる石膏の量は、モルタル等を製造する際の作業性の観点から、SO3換算で好ましくは1.0〜4.0質量%、より好ましくは1.3〜3.5質量%、特に好ましくは1.5〜2.5質量%である。
上記ブレーン比表面積が1500cm2/g未満では、100N/mm2以上の超高強度を発現するモルタル等を製造することが困難となる。上記ブレーン比表面積が3300cm2/gを超えると、混練時間の短縮、及び減水剤の使用量を少なくすることが困難となる。
また、上記セメント質材料の100μm篩残分量は28.2〜40質量%、好ましくは28.2〜38質量%、より好ましくは28.2〜37質量%、特に好ましくは28.2〜36質量%である。
上記セメント質材料の100μm篩残分量が0.5質量%未満では、混練時間の短縮、及び減水剤の使用量を少なくすることが困難となる。上記セメント質材料の100μm篩残分量が40質量%を超えると、100N/mm2以上の超高強度を発現するモルタル等を製造することが困難となる。
さらに、上記セメント質材料の粒径100μm以下の粒子の粒度分布は、混練時間の短縮、及び減水剤の使用量の低減等の観点から、好ましくは、粒径5μm以下の粒子が4〜35体積%、粒径10μm以下の粒子が15〜55体積%、粒径20μm以下の粒子が30〜80体積%、粒径40μm以下の粒子が55〜100体積%、および、粒径60μm以下の粒子が75〜100体積%であり、より好ましくは、粒径5μm以下の粒子が10〜28体積%、粒径10μm以下の粒子が25〜40体積%、粒径20μm以下の粒子が50〜65体積%、粒径40μm以下の粒子が80〜100体積%、および、粒径60μm以下の粒子が90〜100体積%である。
上記粒度分布は、JIS R 1629「ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布測定方法」による値である。具体的には、マイクロトラックHRA(model:9320―x100)等の装置を用いて測定することができる。
また、その粉砕方法としては、ポルトランドセメントクリンカーと石膏を同時に混合及び粉砕することで、目的とするブレーン比表面積等を有するセメント質材料を製造してもよく、ポルトランドセメントクリンカーを単独で粉砕した後に、得られた粉砕物と予め粉砕した石膏を混合することで、目的とするブレーン比表面積等を有するセメント質材料を製造してもよい。
上記微粉末のBET比表面積は5〜25m2/g、好ましくは7〜23m2/g、より好ましくは10〜22m2/g、特に好ましくは12〜20m2/gである。
上記微粉末のBET比表面積が5m2/g未満では、100N/mm2以上の超高強度を発現するモルタル等を製造することが困難となる。上記微粉末のBET比表面積が25m2/gを超えると、混練時間の短縮、及び減水剤の使用量を少なくすることが困難となる。
上記微粉末の配合量は、セメント質材料100質量部に対して、好ましくは4〜50質量部、より好ましくは7〜45質量部、特に好ましくは10〜40質量部である。上記微粉末の配合量が4質量部未満であると100N/mm2以上の超高強度を発現するモルタル等を製造することが困難となる場合がある。上記微粉末の配合量が50質量部を超えると、混練時間の短縮及び減水剤の使用量を少なくすることが困難となる場合がある。
本発明のセメント含有粉体組成物は、上記セメント質材料及び微粉末以外に、ブレーン比表面積が3000〜10000cm2/gの高炉スラグ粉末、フライアッシュ、石灰石粉末、珪石粉末から選ばれる1種以上の無機粉末を含むことができる。これらの無機粉末の割合は、強度発現性等の観点から、セメント含有粉体組成物中の50質量%以下が好ましく、30質量%以下がより好ましく、20質量%以下が特に好ましい。
なお、本発明のセメント含有粉体組成物は、上記セメント質材料以外のポルトランドセメント(具体的には、市販されているポルトランドセメントで、ブレーン比表面積が2500〜4600cm2/gで、かつ、100μm篩残分量が0.5質量%未満のもの)は含まない。
該水硬性組成物の水結合材比(水とセメント含有粉体組成物の質量比(水/セメント含有粉体組成物))は、強度発現性、及び流動性の観点から好ましくは0.10〜0.30、より好ましくは0.12〜0.25である。水結合材比が0.10未満であると、混練が困難になるとともに、流動性が低下する場合がある。水結合材比が0.30を超えると、強度発現性が低下する場合がある。
減水剤としては、リグニン系、ナフタレンスルホン酸系、メラミン系、ポリカルボン酸系等の減水剤、AE減水剤、高性能減水剤、及び高性能AE減水剤等が挙げられる。中でも、好ましくはポリカルボン酸系の高性能減水剤または高性能AE減水剤である。減水剤を用いることによって、流動性、強度(例えば、圧縮強度)等を向上させることができる。
減水剤の使用量は、セメント含有粉体組成物の質量(100質量%)に対する割合(外割)で、固形分換算で、好ましくは0.1〜2.5質量%、より好ましくは0.13〜2.0質量%、さらに好ましくは0.15〜1.8質量%である。減水剤の使用量が0.1質量%未満であると、水硬性組成物の流動性、及び作業性が悪くなる場合がある。減水剤の使用量が2.5質量%を超えると、コストが高くなる場合がある。
細骨材としては、川砂、陸砂、海砂、砕砂、珪砂、またはこれらの2種以上の混合物等が挙げられる。細骨材とセメント含有粉体組成物の質量比(細骨材/セメント含有粉体組成物)は、強度等の観点から、好ましくは0.03〜2.0、より好ましくは0.2〜1.0である。
粗骨材としては、川砂利、山砂利、海砂利、砕石、またはこれらの2種以上の混合物等が挙げられる。粗骨材の配合量は、強度等の観点から、好ましくは水硬性組成物中の体積割合で50体積%以下である。
減水剤以外の混和剤としては、例えば、空気連行剤、消泡剤等が挙げられる。
本発明の水硬性組成の圧縮強度は、好ましくは100N/mm2以上、好ましくは140N/mm2以上、より好ましくは180N/mm2以上、特に好ましくは200N/mm2以上である。
[使用材料]
使用材料として、以下に示す材料を使用した。
(1)ポルトランドセメントクリンカー:中庸熱ポルトランドセメントクリンカー(太平洋セメント社製)
(2)石膏:二水石膏と半水石膏の混合物(二水石膏:半水石膏=1:4.6(質量比))
(3)微粉末:シリカフューム(BET比表面積13.5m2/g)
(4)中庸熱ポルトランドセメント:市販品(ブレーン比表面積3230cm2/g、100μm篩残分量0.33質量%)
(5)細骨材:掛川産山砂(表乾密度2.56g/cm3、吸水率2.17%)
(6)減水剤:ポリカルボン酸系高性能減水剤(商品名:レオビルドSP8HU X2、BASFジャパン社製)
(7)水:水道水
(8)粉砕助剤:ジエチレングリコール
直径(φ)が18mm、9.5mm、又は6.5mmの鉄球を用いて、中庸熱ポルトランドセメントクリンカーと石膏を同時粉砕し、ブレーン比表面積が3000cm2/g、2500cm2/g、又は2000cm2/gのセメント質材料1〜9を製造した。なお、セメント質材料の石膏の含有量は、SO3換算で、2.3質量%であった。
なお、粉砕には、内径0.8m、有効径0.5m、回転速度38rpmのタイコミルを用いた。粉砕媒体(直径(φ)が18mm、9.5mm、又は6.5mmの鉄球)は、粉砕する中庸熱ポルトランドセメントクリンカーの質量の11倍の質量となる量を使用し、粉砕助剤は中庸熱ポルトランドセメントクリンカーに対し200ppm使用した。
使用した鉄球の直径、得られたセメント質材料1〜9の100μm篩残分量、粒度分布(粒径100μm以下分)を表1に示す。
なお、100μm篩残分量の測定方法は、JCAS K−03−2005 エア・ジェット式ふるい装置によるセメント粉末度試験方法に準拠して測定した。
粒度分布は、JIS R 1629「ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布測定方法」に準拠し、装置としてはマイクロトラックHRA(model:9320―x100)を用いて行った。粒子の分散媒体にはエタノールを使用し、測定前に超音波装置で30秒間の分散を行った。
上記セメント質材料(1〜9)とシリカフュームを、該セメント質材料が85質量%、シリカフュームが15質量%となるように混合してセメント含有粉体組成物を製造し、該粉体組成物を用いた水硬性組成物の物性(フロー値、圧縮強度)を調べた。
また、セメント質材料の代わりに、市販の中庸熱ポルトランドセメントを用いて、水硬性組成物を製造し、同様に物性(フロー値、圧縮強度)を調べた。
[フロー値]
上述したセメント質材料1〜9を含むセメント含有粉体組成物を用いて、水とセメント含有粉体組成物の質量比(水/セメント含有粉体組成物)が0.13、細骨材とセメント含有粉体組成物の質量比(細骨材/セメント含有粉体組成物)が0.25であり、減水剤が、セメント含有粉体組成物の質量に対して、表2に示される含有率(0.24〜0.6質量%(外割))となるように水硬性組成物(モルタル)を調製し、各モルタルのフロー値を測定した。
なお、各モルタルの混練方法は、温度が20±3℃、相対湿度が80±5%の試験室において、ミキサ(公称容量5リットル,ホバートジャパン社製)を用いて、モルタル試料の練混ぜを行った。練混ぜ量は1リットルとした。モルタル試料の練混ぜは、セメント含有粉体組成物と細骨材を投入し、低速で30秒間、練混ぜた後、水と減水剤を投入し、低速で300秒間練混ぜた。その後、ミキサを止めパドル周りに付着したモルタルの掻き落としを行い、5分間静置した。その後、さらに30秒間練混ぜを行った。
フロー値の測定方法は、上記練混ぜが終了した後、直ちにフローコーンにモルタルを詰め、上面を均した後、静かに上方へ引き上げた。なお、フローコーンの内側に試料が付着している場合には、かき落として試料中心部に静かに加えた。180秒間後に広がり幅が最大と思われる直径と、その直行する方向の直径を、ノギスを用いて1mmの単位で測定し、測定値の平均をフロー値とした。
また、市販品の中庸熱ポルトランドセメントとシリカフュームを、該ポルトランドセメントが85質量%、シリカフュームが15質量%となるように混合して粉体組成物を製造し、セメント含有粉体組成物の代わりに該粉体組成物を用いた以外は、上述した方法と同様にしてモルタルを調製し、モルタルのフロー値を調べた。
結果を表2に示す。
比較例1、2及び実施例1〜2、参考例1〜6の結果から、本発明のセメント含有粉体組成物は、減水剤の使用量を少なくしても、比較例1又は2と同等の流動性を有している。
上述したセメント質材料1〜9を含むセメント含有粉体組成物を用いて、水とセメント含有粉体組成物の質量比(水/セメント含有粉体組成物)が0.13、細骨材とセメント含有粉体組成物の質量比(細骨材/セメント含有粉体組成物)が0.25であり、減水剤が、セメント含有粉体組成物の質量に対して、表3に示される含有率(0.3〜0.6質量%(外割))の水硬性組成物(モルタル)を調製し、各圧縮強度を測定した。
各モルタルの練混方法は、セメント含有粉体組成物と細骨材を投入し、低速で30秒間練混ぜた後、水と減水剤を投入し、低速で、表3に示される時間だけ、練り混ぜた。その後、ミキサを止めパドル周りに付着したモルタルの掻き落としを行い、5分間静置した。その後、さらに30秒間練混ぜを行った。
練混ぜ終了後、モルタルを直ちに内寸φ50×100mmの型枠内に打ち込み、水分の蒸発を防ぐために上面をポリスチレン製フィルムで覆った状態で、図1に示す温度履歴(養生)を与えた。その後、「JIS A 1108」の「4.装置」および「5.試験方法」に準拠して圧縮強度試験を実施し、得られた結果をGrubbsの方法を用いて棄却検定した。検定により測定値の取捨を判断した後、その平均値を圧縮強度とした。
また、上述した市販品の中庸熱ポルトランドセメントを用いた粉体組成物を、セメント含有粉体組成物の代わりに用いた以外は、上述した方法と同様にしてモルタルを調製し、圧縮強度を測定した。
結果を表3に示す。
なお、各モルタルの練混ぜ直後のフロー値を上述した方法と同様に測定したところ、フロー値は280±10mmであった。
Claims (3)
- ポルトランドセメントクリンカー粉砕物と石膏からなるセメント質材料と、
BET比表面積が5〜25m2/gの微粉末を含むセメント含有粉体組成物であって、
前記セメント質材料のブレーン比表面積が1500〜2900cm2/gであり、かつ、100μm篩残分量が28.2〜40質量%であることを特徴とするセメント含有粉体組成物。 - 上記セメント質材料の粒径100μm以下の粒子の粒度分布は、粒径5μm以下の粒子が4〜35体積%、粒径10μm以下の粒子が15〜55体積%、粒径20μm以下の粒子が30〜80体積%、粒径40μm以下の粒子が55〜100体積%、及び、粒径60μm以下の粒子が75〜100体積%である、請求項1に記載のセメント含有粉体組成物。
- 請求項1又は2に記載のセメント含有粉体組成物と、水と、減水剤を含み、かつ、圧縮強度が100N/mm2以上の水硬性組成物。
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